Una investigación revela nuevos fenómenos cuánticos exóticos en interfaces átomo-nanofotónicas
Recientemente, las investigaciones de interfaces eficientes luz-materia a nanoescala han despertado un gran interés, principalmente debido a la multitud de aplicaciones, entre las que figura la computación cuántica y la detección cuántica a nivel de un único fotón. La mejora de las interacciones luz-materia suele implicar el acoplamiento de un átomo a un sistema macroscópico, como una gran cavidad óptica, o la conexión de una densa nube de átomos con la luz en el espacio libre. El paso siguiente consiste en acoplar átomos a estructuras nanofotónicas. Esta integración puede fortalecer incluso más las interacciones luz-materia, lo cual da lugar a unos sistemas más robustos. «Una pregunta que incide en la raíz de todo esto es si el uso de interfaces nanofotónicas puede revelar fenómenos cuánticos nunca vistos y no solamente hacer que lo viejo funcione mejor que cuando era nuevo», destaca Darrick Chang, beneficiario de una subvención del CEI e investigador principal del proyecto FoQAL. «En el plano teórico, la cuestión es cómo modelar estos nuevos sistemas que parecen bastante distintos de sus equivalentes de mayor tamaño», añade Chang.
Un nuevo modelo que capta la dinámica cuántica
Proporcionar una descripción detallada de la dinámica cuántica de los átomos y la luz a nanoescala resulta extremadamente difícil, principalmente debido al gran número de átomos que intervienen y al número infinito de modos ópticos que definen la forma que tienen las ondas luminosas de desplazarse a través del espacio. El equipo del proyecto desarrolló un formalismo novedoso y universal que establece los estados electrónicos («espines») de los átomos como principales grados de libertad (valores independientes que pueden variar libremente). En este denominado modelo de espín, los átomos interactúan entre ellos a través del intercambio de fotones. «Si resolvemos este modelo, podremos inferir todas las propiedades cuánticas de los fotones generados sobre la base de las propiedades de los propios átomos. Esta fórmula exacta elimina la necesidad de controlar el número infinito de modos ópticos», explica Chang.
No se debe despreciar la interferencia de las ondas luminosas
Empleando el modelo de espín, los investigadores demostraron que las guías de ondas de cristales nanofotónicas son plataformas novedosas en las que átomos y fotones pueden interactuar incluso si les separan distancias relativamente grandes. Este tipo de interacción de largo alcance, que es bastante rara en la mayoría de entornos físicos, permite observar fenómenos exóticos como los cristales cuánticos formados por átomos que se mantienen unidos por entrelazamiento. El modelo también ayudó al equipo de FoQAL a obtener nuevos datos sobre gases atómicos convencionales en el espacio libre. Por ejemplo, predijeron un nuevo valor (límite) del rendimiento de una memoria cuántica para la luz, que es exponencialmente mejor que un límite que anteriormente se creía que era esencial. Esta mejora drástica derivó del aprovechamiento de la interferencia de las ondas en la emisión de luz de los átomos, que se maximiza cuando estos están atrapados juntos. Curiosamente, esta interferencia se ignora completamente en las interfaces luz-materia, ya sea por la dificultad de tratarla en las ecuaciones, ya sea porque es insignificante. «Los resultados sugieren que la interferencia es un elemento esencial capaz de mejorar la capacidad de almacenamiento y la eficacia de las interfaces luz-materia. Por lo tanto, parece pues imperativo estudiar si la interferencia puede utilizarse para fomentar otras aplicaciones cuánticas y si puede conducir a nuevos fenómenos que pongan en duda los conocimientos de nuestros libros de texto en materia de interacciones átomo-luz», concluye Chang.
Palabras clave
FoQAL, interferencia, interacción luz-materia, fenómenos cuánticos exóticos, cristal nanofotónico, interfaz nanofotónica, modelo de espín, memoria cuántica